Глава 10

10 Проблема высокоплотной записи информации, «терабитный барьер» и атомная плотность записи порядка 103 Тбит/см2

10.1 Проект наномеханического вентиля

Для того чтобы создать работоспособные наносистемы (редукторы, под­шипники и др.), необходимо иметь математическую модель, которая учи­тывает взаимодействия отдельных атомов. Но так как эти устройства обыч­но состоят из нескольких тысяч атомов, то математическое моделирование такой сложной системы представляет определенные трудности.

Ученые из Калифорнийского института технологии нашли компро­мисс: они соединили классические инженерные приемы с молекуляр­ным моделированием для того, чтобы спроектировать наномеханичес-кий вентиль для жидкостей. Это устройство может с успехом исполь­зоваться в доставке лекарств, биологических и химических тестах, в качестве инжектора для микро- и нанодвигателей и даже в струйных принтерах.

Основа вентиля - кремниевая однослойная нанотрубка. Она играет роль «шланга», по которому протекает жидкость. На нанотрубку опира­ется консоль, которая может давить на нанотрубку. Как только необхо­димо прекратить протекание жидкости через нанотрубку, консоль де­формируется, пережимая нанотрубку настолько, что жидкость не течет.

Консоль покрыта сверху органическим слоем акриловой кислоты. Все устройство будет находиться в жидкости с изменяющимся рН. Как только рН окружающей среды повысится, суммарный заряд кон­соли будет негативным (вследствие отбора протонов органического слоя). Этот избыточный отрицательный заряд может вызвать дефор­мацию консоли. Как только рН вернется в норму, органический слой получит дополнительные протоны и консоль выпрямится (рис. 10.1). Для нанесения акрилового слоя на кремниевую консоль ученые пред­лагают использовать специально модифицированную кремниевую по­верхность – Si(100).

В этом проекте исследователи использовали классические инженер­ные методики для определения конструкции устройства и молекуляр­ное моделирование для того, чтобы узнать, как нанотрубка поведет себя под действием нафузки со стороны консоли. Размер управляемого вен­тиля будет от 34,5 до 70 нм в длину, а все устройство целиком будет состоять из 75 000 атомов.

Рис. 10.1. Принцип действия наномеханического вентиля

Для производства прототипа устройства нужно решить еще ряд тех­нологических проблем: нанесение органического слоя на кремниевую консоль; соединение консоли с нанотрубкой, а также производство и соединение с вентилем резервуара жидкости.

Одно из применений нового устройства — наносборка. Точные пор­ции «строительного материала» могут доставляться непосредственно к наноманипуляторам и молекулярным конвейерам.

Струйные принтеры с высоким разрешением печати смогут появить­ся на рынке уже через три года после производства прототипа венти­ля. А вот использования его в доставке лекарств можно ожидать толь­ко через 10 лет.

Однако прототип устройства будет создан не ранее чем на следу­ющий год — так заявляют ученые из Калифорнийского института технологии.

10.2 Наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор с «механической рукой»

Профессором Робертом Бланком из Висконсина (США) и его коллегой Домиником Шебли из Мюнхенского университета (Германия) создан принципиально новый электромеханический одноэлектронный тран­зистор с «механической рукой», которая переносит отдельные электро­ны от истока к стоку.

Ранее Бланк уже представлял рабочий электромеханичес­кий осциллятор, который вибрировал в диапазоне радиочастот и мог переносить отдельные электроны от одного электрода к другому при активации «механической руки» устройства (т.е. работать как транзис­тор). Установка Блайка изображена на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Наномеханичес-кий осциллятор Блайка

В центре устройства — вибрирующий маятник, который был назван Блайком «электронным челноком», а журналистами - «механической рукой». Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряже­ние, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной часто­те переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник колебался с частотой в 100 МГц. Маятник С электрически изолирован от электро­дов Gl, G2, S и D и заземлен. Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту пере­носится один электрон, который затем передается с помощью колеба­ний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора V_SD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов I_SD.

Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon-on-insulator). Устройство производилось в несколько эта­пов. Сначала исследователи с помощью электронно-лучевой литогра­фии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая по­вторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков на матрице, которые надо удалить). Далее был вы­травлен механический маятник (посредством комбинации мокрого и сухого травления). И в заключение исследователи вытравили туннель­ные контакты маятника (с точностью до 10 нм).

Первые опыты по запуску транзистора исследователи провели при комнатной температуре. Напряжение, приводящее в движение маят­ник, было ± 3 В. Путем изменения частоты маятника исследователи определили оптимальные значения для переноса электронов маятни­ком. Расстояние между электродами S и D составило 300 нм, а емкость перехода S — D составила 84 аттофарады. При напряжении V_SD = +1 В маятник мог перенести +527 электронов. Но это довольно много. Из­менив напряжение, подаваемое на транзистор, Блайк добился эффекта переноса отдельного электрона. Далее исследователи снизили темпера­туру устройства до 12 К. И тут они обнаружили, что устройство ведет себя по-другому. Протестировав транзистор на ряде значений напряже­ния V_sn (от 0 до 10 мВ) и изменяя частоту вибрации маятника, они отметили, что при частоте вибрации «механической руки» в 120 МГц он ведет себя как и при комнатной температуре. Видимо, это объяснялось влиянием тепловых эффектов, которые сильно проявлялись при ком­натной температуре. Дальнейшее снижение температуры до 4 К не дало никаких результатов — транзистор отказал, так как его маятник стал жестче и потерялся туннельный контакт между электродами S и D.

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100 000 электронов для того, чтобы обеспечить состояние «1» или «О». В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства — в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.

Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радиоактивности, гово­рит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника.

Летом 2004 г. Блайк и Шебли разработали технологию, по которой производить такой транзистор стало проще. Транзистор 2001 г. нельзя было поставить на поток, а транзистор 2004 г. — можно. Производство по новой технологии сводится всего к двум шагам: электронной литог­рафии и травлению. Как говорит Блайк: «Почему мы не додумались до этого раньше — никак не можем понять». Ученые запатенто­вали производственный процесс и сам транзистор.